Los investigadores de la Base de la Fuerza Aérea de Wright-Patterson buscan patentar un proceso novedoso para fabricar un tipo de material llamado nanopartículas precerámicas injertadas con polímeros. o "nanopartículas peludas" (HNP).

Un HNP es un material híbrido que consiste en una capa de polímero unida a un núcleo de nanopartículas sólidas. El polímero, una cadena de moléculas repetidas, forma el "cabello" alrededor de la nanopartícula, que es aproximadamente del tamaño de un virus pequeño.

Aunque las PNH existen desde hace muchos años, lo que lo hace diferente es el tipo de polímero que se une a la partícula del núcleo. Es un polímero precerámico, una clase especial de polímero que se utiliza en la formación de compuestos y fibras cerámicas de alto rendimiento.

"El polímero especial utilizado en nuestro proceso es lo que distingue nuestro trabajo, ", dijo el líder del proyecto, el Dr. Matthew Dickerson." Los investigadores han hecho este tipo de nanopartículas peludas en el pasado, pero han utilizado polímeros orgánicos como el poliestireno. Nuestro polímero es diferente; es inorgánico porque contiene silicio. Es un poco como siliconas (masilla), que tienen una columna vertebral de repeticiones de silicio y oxígeno, pero el nuestro tiene una columna vertebral de repeticiones de silicio y carbono ".

Esta química de silicio y carbono permite que el polímero se convierta en una cerámica de carburo de silicio cuando se calienta a altas temperaturas.

Los PNH que resulten de este proceso especial se utilizarán en la fabricación de piezas de aeronaves de material compuesto cerámico. "Los compuestos cerámicos se utilizan para aplicaciones de alta temperatura de la Fuerza Aérea de EE. UU. Que se benefician de materiales que tienen una densidad más baja que los metales, incluidos los componentes del motor a reacción y del vehículo hipersónico, ", dijo Dickerson." Los PNH que sintetizamos están previstos para ese tipo de aplicaciones ".

Este material híbrido especial, sin embargo, no se fabrica simplemente mezclando el polímero y las nanopartículas y esperando lo mejor. "Una simple mezcla daría como resultado algo como una masilla o una mezcla quebradiza, "dijo Dickerson, "pero el material híbrido con el que terminamos fluye más como melaza, por lo que fluirá más fácilmente hacia una cerámica porosa".

Durante la fabricación de un compuesto de matriz cerámica, los materiales utilizados para unir las fibras cerámicas se encogen considerablemente. Esta contracción da como resultado grietas y huecos que deben rellenarse, o infiltrado. Uno de los requisitos más importantes del material híbrido hecho de los PNH es que debe fluir fácilmente para que pueda infiltrarse en esos vacíos.

Con procesos actuales de última generación, la cerámica debe someterse a varios ciclos (de seis a diez) de infiltración para alcanzar la densidad deseada. El nuevo proceso descrito en la solicitud de patente, así como en un artículo publicado recientemente en Química de Materiales , produce un material que potencialmente podría reducir el número de ciclos de infiltración aproximadamente a la mitad, resultando en una más rentable, componente más rápido de producir.

Incluso con las propiedades superiores a altas temperaturas de los compuestos cerámicos sobre los componentes metálicos convencionales, reducir su costo es clave para permitir su uso generalizado en aplicaciones exigentes de la Fuerza Aérea.

El proyecto fue financiado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. "Esta investigación es un gran avance tecnológico en la síntesis de nanocompuestos cerámicos, dijo el Dr. Ming-Jen Pan, Oficial de programas en AFOSR. "Proporciona un control sin precedentes de la nanoestructura de los materiales híbridos. Estoy entusiasmado con las posibilidades que este descubrimiento brinda al diseño y procesamiento de futuros materiales compuestos".

Se recibieron fondos adicionales para ver cómo la química de los materiales dicta sus propiedades.

"Este fue un proyecto difícil de realizar. Se necesitaron casi tres años para hacerlo bien, ", dijo Dickerson." Fue una verdadera victoria para Kara, "añadió, refiriéndose a la científica investigadora Dra. Kara L. Martin. "Desarrollar el procedimiento de síntesis química para producir estas partículas es muy difícil. Sus nuevas ideas y su tenacidad le permitieron llevar el proyecto al éxito".